工程測量技術測量系統(tǒng)

工程測量技術測量系統(tǒng)第一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六2.1測量系統(tǒng)的構成和分類一個具體的測試系統(tǒng)，總是由傳感器、變換及測量裝置、記錄及顯示裝置和實驗結果的分析處理裝置組成。有時還有試驗激發(fā)裝置第二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六2.1測量系統(tǒng)的構成和分類傳感器，是一種能把某種信息從被測對象中檢拾出來，并將它轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。它是一種獲得信息的手段。變換及測量裝置，作用是把傳感器送來的電信號變換成具有一定功率的電壓或電流信號，以推動下一級的記錄和顯示裝置。測量的主要過程是比較，即是把要測的量與某一標準量進行比較（校準的刻度方程），獲得被測的量為標準量若干倍的數(shù)量概念。這部分常有電橋電路、調(diào)制電路、解調(diào)電路、阻抗匹配電路、放大電路、運算電路等組成。第三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六記錄與顯示裝置，它的作用是把變換及測量裝置送來的電壓或電流信號不失真地記錄下來和顯示出來。記錄和顯示這兩個功能有時可以在一個裝置中實現(xiàn)，如光線示波器。有的裝置只具有一個功能，如電子示波器，它只能顯示而不能記錄，又如磁帶記錄器，它只能記錄而不能顯示。記錄和顯示的方式一般有模擬和數(shù)字兩種。前者記錄的是一條或一組曲線，后者則是一組數(shù)字或代碼。數(shù)據(jù)處理裝置，它是用以對測試所得的實驗結果（曲線或數(shù)據(jù)）進行處理、運算、分析。2.1測量系統(tǒng)的構成和分類第四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六2.1測量系統(tǒng)的構成和分類如大量數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計分析，實驗曲線的擬合，特別是對動態(tài)測試結果的頻譜分析，幅值譜分析，能量譜分析等。試驗激發(fā)裝置，它的作用是人為地模擬某種條件把被測系統(tǒng)中的某種信息激發(fā)出來，以便檢測。如用激振器來模擬各種不同條件的振動，在將激振器作用在機械或構件上后，把機械或結構產(chǎn)生的振動幅度、應力變化等信息激發(fā)出來，以便檢測后對它在振動中的狀態(tài)和抗振能力進行研究分析。第五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六2.1測量系統(tǒng)的構成和分類

測量系統(tǒng)的分類

靜態(tài)測量系統(tǒng)，其輸入量與輸出量是一一對應的數(shù)值，是以輸出的量值估計輸入量值，也就是說測量的結果正確地反映出被測物理量的量值。

動態(tài)測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)的輸入與輸出都是隨時間變化的信號，動態(tài)測試是以輸出的信號去估計輸入信號，也就是說通過測試系統(tǒng)所獲得的信號——顯示或記錄的波形，來反映被測物理量隨時間變化的歷程。第六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六2.2測量系統(tǒng)各組成部分的工作原理、特性和使用方法

傳感器的作用及分類傳感器的作用：

傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。

物理量電量第七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六傳感器的作用及分類物理量、化學量、生物量/其他便于處理和傳輸?shù)男盘柸说奈骞伲貉劬Χ浔亲由囝^皮膚視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺第八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六傳感器的作用及分類

傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。dV第九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六測量系統(tǒng)各組成部分的工作原理、特性和使用方法傳感器感受被測信號，并將它變換成電壓（或電流）信號或電路參數(shù)（電阻、電容、電感等）信號輸出。具有敏感功能及非電量變換到電量的功能。它的功能主要依賴于構成傳感器的傳感元件的物理效應（例如光電效應、壓電效應、熱電效應等）和物理原理（例如電感原理、電容原理、電阻原理等）把信息進行轉(zhuǎn)換的。傳感器是測試系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，在工程測試中，它把諸如溫度、壓力、流量、和力、應變、位移、速度、加速度等信息轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）信號或電路參數(shù)（如電阻、電容、電感等），然后進行變換、記錄。第十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六傳感器的分類1)按被測物理量分類常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,

旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,

壓力,真空度,力矩,風速,流速,

流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩第十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六傳感器的分類2)按敏感元件與被測對象之間的能量關系:物性型::依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計.結構型::依靠傳感器結構參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.例如:電容式和電感式傳感器.第十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六傳感器的分類能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)按信號變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由’被測’量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應變片.第十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六分類法型式說明按基本效應分類物理型化學型生物型采用物理效應進行轉(zhuǎn)換采用化學效應進行轉(zhuǎn)換采用生物效應進行轉(zhuǎn)換按構成原理分類結構型物性型以轉(zhuǎn)換元件結構參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換按能量關系分類能量轉(zhuǎn)換型能量控制型傳感器輸出量直接由被測量能量轉(zhuǎn)換而來傳感器輸出量能量由外部能源提供，但受輸入量控制按工作原理分電阻式電容式電感式壓電式磁電式熱電式光電式光纖式利用電阻參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用電容參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用電感參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用壓電效應實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用電磁感應原理實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用熱電效應實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用光電效應實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用光纖特性參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換按輸入量分類長度、角度、振動、位移、壓力、溫度、流量、距離、速度等以被測量命名（即按用途分類）按輸出量分類模擬式數(shù)字式輸出量為模擬信號（電壓、電流、……）輸出量為數(shù)字信號（脈沖、編碼、……）第十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六傳感器的性能要求靈敏度高，輸入和輸出應具有較好的線性關系。噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能。滯后、漂移誤差小。動態(tài)特性良好。接入測量系統(tǒng)時對‘被測’量產(chǎn)生影響小。功耗小，復現(xiàn)性好，有互換性。防水及抗腐蝕等性能好，能長期使用。結構簡單，容易維修和校正。低成本，通用性強。第十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六發(fā)展趨勢與選用原則傳感器的發(fā)展趨勢

新原理、物性型、集成化、多功能化、智能化、仿生傳感器。傳感器選用原則

靈敏度高、線性范圍寬、響應特性好、穩(wěn)定性強、精確度（精密度+準確度）適中。第十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電阻式傳感器

根據(jù)電阻定律而設計的傳感器，它能將被測物理量（如位移、力等）的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化輸出。按照引起傳感器電阻變化的參數(shù)不同可以將傳感器分為電位計（器）式傳感器和電阻應變式傳感器兩大類。直線位移型、角位移型和非線性型等。第十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電阻式傳感器

變阻器式傳感器的性能參數(shù):

1)線性(或曲線的一致性);4)移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數(shù);3)整個電阻值的偏差;6)壽命;第十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六測位移第十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電阻式傳感器

電阻應變式傳感器--應變片

電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化象。第二十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電阻式傳感器典型箔式應變片a單絲柵式b雙絲柵式c三絲柵式d多絲柵式

金屬絲應變片1-覆蓋層2-基底

3-敏感柵（電阻絲）

4-粘接劑5-引線金屬絲電阻應變片結構：主要由用具有高電阻率的金屬絲繞成的敏感柵、基底、覆蓋層和引出線組成。金屬箔式電阻應變片結構：敏感柵是用柵狀金屬箔片制成，由于采用光刻技術制造，所以性能好，使用廣泛。第二十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電阻式傳感器電阻應變式傳感器應用很廣，可概括為以下兩個方面。（1）將應變片粘貼于被測構件上，直接用來測定構件的應力或應變。（2）將應變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。第二十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電阻式傳感器電阻應變式傳感器的應用第二十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電阻式傳感器將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結構變形再通過應變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。電子稱-測力第二十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電容式傳感器變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器+++Aδ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。第二十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電容式傳感器++++++a)極距δ變化型第二十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電容式傳感器b)面積變化型角位移型+++第二十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電容式傳感器平面線位移型柱面線位移型.第二十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電容式傳感器c)介質(zhì)變化型第二十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電容式傳感器電容式接近開關-位移振蕩電路被測物體感應電極

被測電容測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。第三十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電容式傳感器電容式傳感器的應用電容式傳感器具有結構簡單，靈敏度高，精度高，靜電引力小，動態(tài)特性良好，可用于接觸式和非接觸式測量等優(yōu)點?？捎糜谖灰?、振動、角度、速度、厚度等機械量的精密測量。電容式測厚儀的工作原理：工作極板與帶材之間形成兩個電容，即C1、C2，其總電容為C=C1+C2。第三十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電容式傳感器

電容式轉(zhuǎn)速傳感器

齒輪外沿面為電容器的動極板，當電容器定極板與齒頂相對時，電容量最大，而與齒隙相對時，則電容量最小。當齒輪轉(zhuǎn)動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。第三十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電感式傳感器—能量控制型

電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型第三十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電感式傳感器1自感型--可變磁阻式可變導磁面積型差動型原理:電磁感應自感系數(shù)L，匝數(shù)，磁導率，截面面積，距離第三十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電感式傳感器2渦流式（位移）原理:渦流效應第三十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電感式傳感器第三十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電感式傳感器無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。油管檢測第三十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六電感式傳感器

互感型--差動變壓器-測位移WW1W2工作原理:互感時差動電壓不同反應位移.EwEout第三十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六磁電式傳感器—能量轉(zhuǎn)換型1.變換原理:

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應線圈的感應電動勢e為磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關，改變其中一個因素，都會改變感應電動勢。

第三十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六磁電式傳感器2分類

N磁電式動圈式線速度型角速度型磁阻式第四十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六磁電式傳感器動圈式傳感器線速度型

第四十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六磁電式傳感器角速度型測速電機第四十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六磁電式傳感器磁阻式傳感器

磁電式車速傳感器第四十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六壓電式傳感器1.變換原理:壓電效應

某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。+并聯(lián)+串聯(lián)F+q=DF第四十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六壓電式傳感器圖示為天然石英晶體，其結構形狀為一個六角形晶柱。其中，縱軸z稱為光軸，x軸稱為電軸，y軸稱為機械軸。

第四十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六壓電式傳感器第四十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六壓電式傳感器產(chǎn)品加速度計力傳感器第四十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六壓電式傳感器壓電式傳感器常用于測量加速度、振動、力以及壓力等。

基座固定在被測物體上，基座振動使質(zhì)量塊產(chǎn)生與振動加速度方向相反的慣性力，慣性力作用在壓電晶片上，使兩片壓電晶片的表面產(chǎn)生交變電壓輸出，這個輸出電壓即與加速度成正比，經(jīng)測量電路處理后，即可得到加速度的信息。第四十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六壓電式傳感器

圖示為壓縮式壓電傳感器來測量汽車安全系統(tǒng)異常振動的裝置。該傳感器主要由壓電元件（即壓電晶片）、質(zhì)量塊和彈簧所組成。質(zhì)量塊通過彈簧壓在壓電晶片上，當汽車處于正常狀態(tài)工作時，質(zhì)量塊振動使壓電晶片有一個正常狀態(tài)的電荷（電壓）輸出。若汽車負載運行，則會引起異常振動或由其他噪音引起的振動，從而引起質(zhì)量塊的異常振動，再經(jīng)測量系統(tǒng)至顯示系統(tǒng)獲得這種異常振動的電信號。第四十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六1.雙金屬溫度計

把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機械量變化。優(yōu)點：結構簡單牢固可靠防爆

測溫第五十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六熱電傳感器2.熱電溫度計(熱電偶)熱電效應

將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應。第五十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六熱電傳感器熱電偶測溫基本定律1)均質(zhì)導體定律由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。TT02)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V第五十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六熱電傳感器3)中間溫度定律熱電偶A、B在接點溫度為T、T0時的熱電勢EAB（T,T0）等于接點溫度為T，Tn時的熱電勢EAB（T,Tn）和EAB（Tn,T0）的代數(shù)和EAB（T,T0）=EAB（T,Tn）+EAB（Tn,T0）第五十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六熱電傳感器第五十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六熱敏傳感器3熱敏電阻傳感器

半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。RT第五十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六熱敏傳感器第五十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六還廣泛應用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等熱敏傳感器第五十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六光電傳感器

光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應。外光電效應

在光線作用下能使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象如：光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應

1）光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，如：光敏電阻、光敏二極管

2)阻擋層光電效應

在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象，也稱光生伏特效應

如：光電池實例：CCD-感光二極管-電荷、光電鼠標-發(fā)光-圖像處理第五十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六光電傳感器

光敏電阻是利用半導體材料的光導效應即由于光照強弱而導致半導體阻值變化的現(xiàn)象而工作的，這種具有光導效應的半導體材料就稱為光敏電阻。

說明：1，光敏電阻就像一個電阻元件，只是阻值隨光照變化

2，無光照時，暗電阻很大，電流很小

優(yōu)點：具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應從紫外區(qū)到紅外區(qū)，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定，價格便宜。

第五十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六光電傳感器光敏電阻常用的半導體材料有硫化鎘和硒化鎘。第六十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六光電傳感器照相機自動測光第六十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六光電傳感器光電池

光生伏特效應指半導體材料P-N結受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。+++---PN第六十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六特點：靈敏度低，穩(wěn)定性好，頻響較慢，受光面積大，不需外加電源，頻率特性差。

第六十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六光電傳感器應用光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式四種基本形式。測量液體、氣體的透明度、渾濁度，氣體成分分析等光電高溫計、紅外偵察和紅外遙感，防火報警等第六十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六光電傳感器長度、厚度、線位移、角位移、振動等的測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等的測量第六十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六光電傳感器第六十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六氣敏電阻傳感器對氣體的檢測已經(jīng)是保護和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少的手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。

如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達0.8～1.15ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器第六十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期六氣敏電阻傳感器

氣敏傳感器是利用